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微波电路与系统 第三章：微波集体管放大器 物理电子学院贾宝富. 科研楼 612 房间 电话 : 83201687 E-mail: bfjia@uestc.edu.cn. 第三章 微波晶体管放大器. §3.1 微波晶体管种类与特性 §3.2 BJT 硅双极型 微波晶体管 §3.3 微波场效应晶体管 §3.4 异质结微波晶体管 HEMT, PHEMT, HBT, Si-Ge HBT §3.5 小信号微波晶体管放大器 §3.6 放大器噪声参数 §3.7 微波晶体管放大器设计 §3.8 微波功率放大器. §3.1 微波晶体管种类与特性.

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  1. 微波电路与系统第三章：微波集体管放大器物理电子学院贾宝富微波电路与系统第三章：微波集体管放大器物理电子学院贾宝富 科研楼612房间 电话: 83201687 E-mail: bfjia@uestc.edu.cn

  2. 第三章 微波晶体管放大器 §3.1 微波晶体管种类与特性 §3.2 BJT硅双极型微波晶体管 §3.3 微波场效应晶体管 §3.4 异质结微波晶体管HEMT, PHEMT, HBT, Si-Ge HBT §3.5 小信号微波晶体管放大器 §3.6 放大器噪声参数 §3.7 微波晶体管放大器设计 §3.8 微波功率放大器

  3. §3.1微波晶体管种类与特性 • BJT ------ Bipolar Junction Transistor 放大器、振荡器 • 双极型晶体管，Si, 0.1-3GHz，易匹配、价格低 • MESFET - Metal Semiconductor Field Effect Transistor 振荡器、功放 • 金属半导体场效应晶体管, GaAs, 2-12GHz • HEMT --- High Electron Mobility Transistor LNA • 高电子迁移率晶体管, GaAs, AlGaAs, 2-40GHz • PHEMT -- Pseudo HEMT LNA • 假沟道高电子迁移率晶体管, GaAs, AlGaAs, 2-40GHz • HBT ------ Hetero Junction Bipolar Transistor 低相噪振荡器、功放 • 异质结双极型晶体, GaAs, AlGaAs, 2-20GHz • * Si/GeHBT----- Si/Ge Hetero Junction Bipolar Transistor • 硅-锗异质结双极型晶体管, Si, Ge, 0.1-20GHz，成本低 • * DGFET---- Double Gate GaAs FET可控放大器、混频器 • 双栅场效应晶体管，GaAs , 2-20GHz

  4. 微波晶体管用途 • 低噪声放大器(LNA)、功率放大器 • 振荡器 • 混频器、上变频器 • 开关、衰减

  5. §3.2 BJT硅双极型微波晶体管 特征频率 功率增益 最高振荡频率 噪声系数

  6. 晶体管的特征频率 特征频率 fT5~10GHz 载流子由e向c有渡越时间ec。 f 升高, 载流子尚未到c时，输入电压已变化，使下降。1时频率，

  7. 低噪声双极晶体管 • 微波低噪声双极晶体管最重要的电参数是功率增益Gp和噪声系数Nf。 1、功率增益 Gp

  8. 其它功率增益 • 插入增益GT • 共射极接法的微波晶体管插入到特性阻抗为Zo的传输系统所提供的功率增益： • 最大可用功率增益Gmax • 晶体管与输入输出回路共轭匹配状态下，晶体管所能提供的最大使用功率增益 • K是稳定系数

  9. 其它功率增益 • 最大单向增益Gu • 忽略内部反馈（S12=0）时的最大功率增益：

  10. 2、噪声系数NF 噪声来源： (1) 热噪声：主要由基极电阻rb’ 引起 (2) 散粒噪声：主要是发射极、集电极电流的散粒噪声以及分配噪声(发射极电流分成Ic和 Ib的随机起伏)组成 (3) 闪烁噪声又称 1/f 噪声：主要由载流子复合引起

  11. 噪声系数NF＝总输出噪声功率/仅由信号源产生的输出噪声功率噪声系数NF＝总输出噪声功率/仅由信号源产生的输出噪声功率 最小噪声系数(福井公式) 室温290K时 转角频率： f1：低噪声管在100Hz以下 f2：f2(0.2~0.3)fT2~3GHz， f2以6dB/oct上升

  12. 功率双极晶体管 • 1、输出功率 • 饱和输出功率Po • 线性输出功率P1dB • 脉冲输出功率Pp • 2、功率增益Gp • 3、工作类别 • 甲类（A类） • 乙类（B类） • 丙类（C类）

  13. §3.3 微波场效应晶体管 *基片: 0.1~0.3mm *外延层: 0.1~0.5m *栅极: 肖特基势垒 *源极: 欧姆接触 *漏极:欧姆接触 电压控制特性 短栅 FET的短沟道效应 FET的管芯等效电路 FET噪声

  14. 一电压控制特性 Vgs控制Ids 夹断电压Vp (穿通电压) Vds < Vp Vds = Vp Vds > Vp

  15. 二、短栅 FET的短沟道效应 1. GaAs的电子迁移率 2. 短栅效应 1) 栅长在1m左右即出现短沟道效应 2) FET的工作频率一般在20GHz以下

  16. 三、FET的管芯等效电路 Cgs--栅源结电容 Cdg--栅漏部分耗尽层结电容 (Cgs + Cdg)--栅极与沟道间耗尽层 总电容 Cdc--沟道中电荷偶极层的电容， 称为畴电容，在常被省略, Rgs、Rds--沟道电阻 Cds--源极与漏极间的衬底电容 Rs、Rg、Rd--源极、栅极和漏极 的分布参数电阻，包括体电 阻引出端的欧姆接触电阻 gm--小信号跨导，与工作频率有关

  17. 几个基本参数： * 跨导 gm=Ids/Vgi * 短路电流放大系数 =hfe 忽略Rgs、Cdg、Cdc时，hfe=Id/Iggm/(jCgs) * 特征频率f T 忽略Cdg、Cdc时，f T gm/(2Cgs) * 最高振荡频率f max 实际封装管的上述值要下降 总体上看， f T 和Cgs(栅长)成反比

  18. 四、FET噪声 • 噪声来源： • 1. 热噪声 • 沟道噪声: P与直流偏压、器件内部结构有关 • 栅源之间的感应栅极噪声: R与直流偏压、器件几何尺寸有关 沟道噪声通过栅电容(Cgs、Cdg)耦合在栅极上的感应噪声。频率上升，感应噪声加大。 2. 高场扩散和谷际散射 由于高场电子速度饱和效应和下能谷向上能谷跃迁的随机性产生的噪声 3. 闪烁噪声 由于GaAs晶格的陷阱效应，它的1/f噪声远高于Si BJT中的1/f 噪声。

  19. 最小噪声系数 P--ind2因子, 与直流偏压、器件内部结构有关, 约为1~3 R-- ing2因子, 与直流偏压、器件几何尺寸有关 C-- ind和ing相关系数, C<1

  20. BJT和FET的噪声特性 f B1--0.1 kHz f B2--2 GHz f F1--0.1 GHz f F2--20 GHz

  21. FET主要参量 • （1）截止频率，定义为：当电流增益为一时的工作频率 • 显然，增大电子饱和速度vs（即增加电子迁移率）减少栅长L可提高FET管的截止频率。 • （2）最大振荡频率（或最大可用增益0dB频率） • 式中 • 显然为增大fmax，应减小栅极、本征体、源极电阻，增加衬垫电阻Rds，同时减小漏栅之间电容。 21

  22. FET主要参量（续1） • （3）在频率f时最大可用增益 • 由上式可以看出，f每增加倍频程，增益降6dB，为了增加Gmax必须提高fT，减小各种电阻以及源长度Ls。 • （4）单向增量（反向传输为零） • （5）最小噪声系数 22

  23. FET主要参量（续2） • 为了减小管子的噪声，应减小栅、源电阻和提高截止频率。 • 上面各式中，vs表示饱和速度（1.2107cm/s在300K，砷化镓），L是栅长，单位m，Kf2.5，K10.27。 • （6）1dB压缩点 • 表示管子工作的最大线性范围的输入功率，当输出功率偏离线性负1dB时的输入功率或相应输出功率。 • 上述微波场效应管特性只与管子本身的结构和频率有关，是管子的固有特性，与外电路无关。 • 由上面的特性显然可以看出我们在电路中选管应根据频率的需要尽量选fT，fmax，Gm大，Fmin小的管子。

  24. §3.4 异质结微波晶体管 HEMT, PHEMT, HBT,GeSi-HBT 一、HEMT 1. n-AlGaAs/GaAs 异质结 2. 2DEG，没有杂质散射，迁移率高 3. 沟道不掺杂，电场均匀，减弱短栅效应 4. 隔离层使电子与施主隔开，提高迁移率 5. 凹槽栅，可以做短栅

  25. 二、PHEMT ( Pseudomorphic HEMT) 结构上和HEMT相近似，区别是: 1. InGaAs层代替GaAs层做沟道称为“赝”层，2DEG浓度高 ——AlGaAs/InGaAs异质结界面导带不连续性更大， 提高势阱内2DEG聚集作用。 2. InGaAs的电子饱和速度比GaAs 高——减弱短栅效应，减小渡越时间，更适于0.1m短栅毫米波器件(用短栅时可获得更高频率)

  26. 三、HBT 1. fT高 比BJT高10倍 迁移率，渡越时间 2. 噪声小 基区 rb’, 复合噪声 3. 击穿电压BVce0高 GaAs 材料，E、C极轻掺杂 HBT: 300~400V FET: 20~30V 4. 闪烁(1/f)噪声低 FET 陷阱，振荡器(相噪比FET小100~300倍) 1双极型结构 2基本材料用GaAs

  27. 四、Si-Ge HBT • 结构： 掺锗提高异质结内建电场，克服隧道效应 • 难点：工艺 • 1. 功耗低：为Si的1/5~1/7 • 2. 价格低：比GaAs低一半 • 3. 频率高：fT可达60~70GHz • 4. 模拟/数字电路兼容 • HEMT与HBT中的异质结的区别： • HEMTHBT • GaAs不掺杂 GaAs P型重掺杂 • 2DEG不向z方向运动 电子向z方向运动

  28. 五、MEMS (Micro-Electron Mechanical System) 1. 3D MIC - 第4代微波集成电路 2. 开关，马达，移相，谐振器，陀螺，天线 3. 复合智能系统

  29. 选择BJT还是FET？ • 电路设计时选择BJT还是FET取决于应用。例如在射频接收机前端，噪声系数特别重要，而在其它场合，功率增益和输出功率更重要。显然对于接收机前端，增益和噪声都重要。陆上微波通信，应用抛物面天线，与天线直接的第一级放大器就用低噪声放大器，右图给出各类器件噪声系数，可作为选择低噪声放大管的依据。 噪声系数与频率关系

  30. 选择BJT还是FET（续1） • 注意，增益有三种定义：最大可得增益（Maximum allowable gain, Gmax），最佳噪声系数时增益（gain at optimum noise figure, GNF）以及插入增益（insertion gain）。 Gmax一般在电路共轭匹配时得到。GNF与Gmax一般不等。右图给出SiGe HBT功率、功率附加效率、增益与输入功率关系，因此选择器件满足增益指标时，注意所用增益的定义。

  31. 右图给出HEMT、HBT目前达到的水平，可作为我们选择器件的参考。右图给出HEMT、HBT目前达到的水平，可作为我们选择器件的参考。 （a）HEMT技术进步（b）HBT技术进步

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